Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков, страница 9

Кроме того, себестоимость ВлкнОптчОЭИзмС на брэгговских решетках в десятки раз меньше себестоимости систем на основе эффекта РМБ. Исходя из вышесказанного, следует, что для каждой из двух типов систем есть своя область применения: для на основе ВлкнОптчОЭИзмС РМБ- это мониторинг состояния сверх протяженных объектов (длиной более 1км), а системы на брэгговских решетках могут использоваться только в тех случаях когда известны точки пространства, в которых необходимо контролировать параметры температуры и деформации.

Исходя из того, что в большинстве объектов места, где наиболее вероятны возникновение критических деформаций известны заранее, а также из-за того, что ВлкнОптчОЭИзмС на основе брэгговских решеток обладают значительно большим быстродействием этот вид систем выбран для дальнейших исследований с целью реализации макетного образца.

53 ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ, ФОРМИРУЕМЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ БРЭГГОВСКИМИ ДАТЧИКАМИ Как было показано в главе 1, сигнал с волоконно-оптического датчика на брэгговской решетке содержит информацию о сдвиге центральной резонансной длины волны. Для того'чтобы избежать наложения сигналов с нескольких датчиков необходимо использовать методы демультиплексирования (методы разделения информационных сигналов).

Теоретически, демультиплексирование сигналов может быть осуществлено па: состоянию поляризации, частоте, времени распространения излучения от датчика. Демультиплексирование по фазе сигналов от волоконно-оптических брэгговских датчиков(преобразователей) принципиально невозможно, по причине дрейфа оптической длины ОВ и, вследствие этого, нестабильности фазы отраженного сигнала.

Эффективность разделения сигналов по состоянию поляризации тоже не очень высока, так как в ОВ можно разделить только два сигнала с двумя ортогональными состояниями поляризации (при применении волокна с сохранением состояния поляризации). Во всех других случаях состояние поляризации излучения будет случайным образом изменяться из-за хаотической анизотропии ОВ.

Кроме того, невозможно записать брэгговскую решетку только для одного состояния поляризации. То есть, при записи брэгговской решетки в волокне с сохранением состояния поляризации получатся две решетки, которые будут соответствовать двум ортогональным состояниям поляризации и будут фактически не отличаться коэффициентом отражения, но будут отличаться оптическим периодом, а, следовательно, и резонансной длиной волны отраженного излучения. Это означает, что по состоянию поляризации можно различить только два сигнала, причем оба они поступают с одного датчика, что может пригодиться для разделения влияния деформации и температуры, но не для увеличения количества датчиков.

54 Оставшиеся два метода демультиплексирования (по времени и частоте) позволяют разделить сигналы со значительно большего количества датчиков. Квази-распределенные оптико-электронные измерительные системы, использующие данные методы обработки мультиплексированного сигнала, называются системами с частотным и временным мультиплексированием соответственно. В системах с частотным мультиплексированием излучение от каждого преобразователя формируется в различных спектральных диапазонах, а в измерительной аппаратуре, использующей принципы временного уплотнения, сигнал с каждого преобразователя приходит через определенные промежутки времени, определяемые длиной оптического волокна между решетками. Именно через эти периоды времени и определяются параметры отраженных сигналов.

Представляется целесообразным выделить отдельный вид измерительных систем, использующих пространственно-временное мультиплексирование сигнала. Этот вид систем нельзя отнести к квази- распределенным, так как все датчики подсоединяются параллельно. Тем не менее, данный метод может быть востребован в тех случаях, когда при отказе одного преобразователя необходимо продолжать измерять сигналы с остальных датчиков. Для разделения сигналов в данном методе также используются принципы временного демультиплексирования.

Однако параллельное подсоединение датчиков дает некоторые преимущества и недостатки. С целью обоснования рационального метода регистрации сигнала в настоящем разделе проводится сравнительный анализ наиболее эффективных и перспективных схем построения оптико-электронных измерительных систем на основе брэгговских преобразователей. Очевидно, что для такого обоснования необходима информация о характеристиках информационного сигнала, формируемого ВОБП. Исследованию данных характеристик посвящен первый параграф данной главы. 55 2.1.

Характеристики информационного сигнала, формируемого волоконно-оптическим брэгговеким датчиком В работе выделяются следующие основные характеристики информационного сигнала: спектральные, спектрально-временные (групповая задержка, хроматическая дисперсия), поляризационные (поляризационно-модовая дисперсия), Спектральные характеристики сигнала рассмотрены в 1.2, формируемого ВОБП. В частности представлены типовые характеристики сдвига резонансной длины волны в зависимости от температуры и деформации. Также представлена методика расчета спектра отражения брэгговской решетки в зависимости от ее конструктивных параметров. ® Однако помимо спектральных характеристик представляет интерес также исследовать спектрально-временные характеристики - групповую задержку и связанную с ней хроматическую дисперсию.

Кроме этого, целесообразно оценить величину поляризационной модовой дисперсии, так как при получении брэгговской решетки в ОВ неизбежно возникнет анизотропия из-за наличия неоднородностей в распределении электрического поля. Учет этих характеристик может быть особенно важен для систем регистрации, использующих методы временного демультиплексирования сигнала, так как все перечисленные параметры оказывают влияние на уширение импульса. В первую очередь, оценим групповую задержку. Групповая задержка может быть определена из спектральной зависимости амплитудного коэффициента отражения г(Л) в соответствии со следующим выражением: Й агд(г(Л)) Л с1 агя(г(Л)) Ыа 2.л.с ИЛ й(Л) зЬ(з(Л) Ц ЩЛ).й(з(Л) 1) — Г з(Л) сЬ(з(Л) 1) ' где 1- длина брэгговской решетки; й(Л), з(Л), ЛА(Л)- функции, определяемые из выражений 2,2-2.5 (2.1) (2.2) Х 4 л' Ы' (исе,— и„) (2.3) где Ьп- наведенный показатель преломления, й- диаметр сердцевины ОВ, и р„п,6- показатели преломления сердцевины и оболочки ОВ, соответственно.

г(Л) = (2.4) М(Л)=2 л и„, ( — — — ) 1 1 6 (2.5) пс. 55 о 50 45 40 20 я 25 й 20 аф 15 й о 1549 1549,2 1549,4 1549,6 1549,8 1550 1550,2 1550,4 1550,6 1550,3 1551 Дпнна волнв1 Д, нм Рис. 2.1. Зависимость групповой задержки сигнала, поступающего с ВОБП от длины волны (длина решетки 1 =8 мм, наведенный показатель преломления Ли=1 10~, брэгговская длина волны об=1550 нм„диаметр сердцевины ОВ 0=9 мкм, распределение наведенного показателя преломления - однородное). Из графика приведенного на рис.2.1 видно, что максимальное отклонение расчетной задержки не более 30 пс. Следовательно, при применении методов временного уплотнения сигналов, минимальное расстояние, на которое могут быть разнесены где Х6- брэгговская длина волны. На рис. 2.1 приведена рассчитанная зависимость групповой задержки от длины волны излучения, поступающего с ВОБП.

Из графика видно, что разность временной задержки на различных длинах волн не превышает 38 решетки (для избежания эффекта наложения импульсов) определенное из выражения: 1,.„=с.(г,„— т, „) (2.6) равно 10,5 мм. Данная величина значительно меньше реальных расстояний между датчиками Для расчета зависимости спектральной зависимости коэффициента хроматической дисперсии можно использовать следующее соотношение ~35~: сй„2н с й'(цуд(у(Л)) (2.7) о1Х Л2 Ыа1 На рис. 2.2 приведена зависимость коэффициента хроматической дисперсии брэгговской решетки от длины волны, соответствующая групповая задержке, приведенной на рис.2.2 зоо Рис.2.2- Зависимость коэффициента хроматической дисперсии от длины волны Поляризационную модовую дисперсию (ПМД), в отличие от хроматической дисперсии, значительно труднее оценить аналитически.